5.3.1. Общие принципы сканирующей зондовой микроскопии

Как уже упоминалось выше, Э. Мюллером еще в 30-е годы прошлого века было предложено использовать различные виды эмиссии с острия атомарно-острой иглы, что позволило создать очень простые безлинзовые приборы с вы­соким разрешением (2...3 нм для электронных проекторов и на порядок лучше для ионных). Однако реальные исследовательские возможности подобных при­боров сильно ограничены рядом обстоятельств, поэтому фактически они оста­лись демонстрационными лабораторными установками, правда, первыми дос­тигшими атомарного разрешения.

Желание обеспечить атомное разрешение простыми средствами и вместе с тем избежать недостатков электронных микроскопов и ионных проекторов пре­допределило создание в 1981 г. Г. Биннигом и Г. Рёрером зондового туннельно­го микроскопа, в котором объектом„иссдедования был уже не кончик иглы с вы­сокой кривизной поверхности, как в проекторах Мюллера, а макроскопически плоский образец, не нуждавшийся в сложной подготовке (какой требует, на­пример, просвечивающая электронная микроскопия). Обязательным условием является малое расстояние между кончиком зонда и исследуемой поверхностью (от долей до десятков нанометров) для того, чтобы локализовать их взаимодей­ствие (рис. 5.6.).

Очень быстро сканирующая зондовая микроскопия приобрела большую популярность и развилась в громадную область науки и техники, имеющую массу разнообразных применений (рис. 5.7.).

Рис. 5.6. Схема, иллюстрирующая принцип сканирующей зондовой микроскопии:

1 - зонд; 2 — локализованное физическое поле; 3 — атомы на исследуемой поверхности; 4 - сигнал с зонда; сплошные линии - рабочие ходы развертки при сканировании поверхности; пунктирные — обратные нерабочие ходы

Общими конструктивными узлами и компонентами всех сканирующих зон-довых микроскопов являются следующие элементы:

- зонд, обычно выполненный в виде иглы с эквивалентным радиусом за­кругления при вершине от единиц до десятков нанометров (бывают зонды и бо­лее сложных геометрии и структуры);

- пьезосканер, позволяющий перемещать зонд в пространстве с точностью до-0,01...0,001 нм;

- цепи обратной связи между полезным сигналом с зонда и пьезоактуато-ром, определяющим его положение;

- двух- или трехкоординатный столик, дающий возможность менять об­ласть исследования на образце;

- электронный блок - контроллер и персональный компьютер, которые управляют всеми циклами;

- программное обеспечение, с помощью которого обрабатывается сигнал и строится изображение на мониторе компьютера;

- виброзащитный стол (рис. 5.8).

Цепи обратной связи позволяют удерживать кончик зонда на заданном рас­стоянии от поверхности сложной топологии и предохранять его от нежелатель­ных контактов с внезапными возвышениями на ней. Сигнал обратной связи мо­жет служить и источником информации о точке, над которой находится зонд в данный момент времени.

Рис.5.7. Сканирующие зондовые методы микроскопии и исследования поверхности (SPM)

Рис.5.8. Принципиальная схема сканирующего зодового микроскопа:

С помощью компьютера устанавливают область и режимы сканирования, управляют всеми необходимыми процедурами построения и обработки изобра­жения, а также сохранения полученных данных.